CN111371711B - 一种无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法,其包括以下步骤:步骤一:信息发送端发送数据,信息接收端进行AD带通采样和数字下变频处理,将接收信号变频至零中频信号;步骤二:信道估计,消除导致信号畸形的影响因素;步骤三:频偏估计,设计两组PN并且间隔固定时间,利用这两组PN产生的自相关值作为两个矢量角度,通过计算角度差和时间差得到频偏;步骤四:信号捕获和帧同步,采用两级匹配滤波器完成信号捕获与帧同步;步骤五:GMSK解调和LDPC解码,获得信息。本发明采用GMSK调制解调技术,利用两个独立的PN短码和LDPC编码替代了导频+帧头+校验码,确保接收机在极短的时间下能够完整、可靠的接收到数据。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域,涉及一种无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法,特别适合用于在低占空比、高动态环境下的快速捕获与同步。
背景技术
随着网络化数据链以及物联网潮流的兴起,在实际中一个通信系统希望能够容纳尽可能多的通信单元,而且需要保证单元之间能够迅速组网,实时通信。那这种通信系统就希望其链路层能够尽可能的简单、可靠而且高效的进行通信,而且希望占空比越小越好。但是占空比越小,意味接收机漏警概率越大,即通信的可靠性越差。尤其在实际应用中大部分信道属于高动态环境,如何解决这两者之间的矛盾成为无线猝发通信的难点。目前大部分猝发通信体制中,为了保证通信可靠,都需要发送导频+帧头+校验码,这些都占用了宝贵的时间开销,增大了通信占空比,不利于多节点使用。因此,在不影响通信可靠性的前提下,应采取新的方法来尽可能的提高通信效率,降低发送占空比,提高系统容量。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是:提供一种无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法,解决猝发通信中在低占空比下接收机如何可靠通信的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明提供一种无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法,其包括以下步骤:
步骤一:信息发送端发送数据,信息接收端进行AD带通采样和数字下变频处理,将接收信号变频至零中频信号;
步骤二:信道估计
步骤三:频偏估计
设计两组PN并且间隔固定时间,利用这两组PN产生的自相关值作为两个矢量角度,通过计算角度差和时间差得到频偏;
步骤四:信号捕获和帧同步
采用两级匹配滤波器完成信号捕获与帧同步;
步骤五:GMSK解调和LDPC解码,获得信息。
其中,所述步骤一中,信息发送端发送的数据中,将128bit的信息划分为一个基础数据帧,进行(128,256)LDPC编码,编码完成后为256bit;然后对256bit进行分块划分,拆成三份,相邻块之间插入相同长度的PN;最后在首尾分别加入前缀和后缀。
其中,所述步骤一中,拆成三份,分别是64bit、128bit、64bit。
其中,所述步骤一中,256bit拆成的三份中,将两个长度40bit的PN插入其中。
其中,所述步骤一中,在首尾分别加入3bit0作为前缀和后缀。
其中,所述步骤四中,两级匹配滤波器中,第一级匹配滤波器采用PN匹配滤波器,对接收信号进行PN相关计算,生成自相关矢量,进行平方和得到相关峰,将得到的相关峰送入第二级匹配滤波器;第二级匹配滤波器设定一个阈值,如果相关峰大于该阈值,则置1,否则置0,然后送入168级的移位寄存器,如果移位寄存器的输入与输出同时为1,则说明帧头捕获,此时,由于PN码位置在帧中固定,一旦完成帧同步,符号同步也同时完成。
其中,所述步骤五中,GMSK解调采用准相干解调法,根据Laurent分解原理,将GMSK信号分解为多个PAM信号的和。
其中,所述步骤四中,阈值设定时,首先将阈值降低到信息接收端接收机灵敏度以下,并将接收机将接收并解调的数据送入LDPC解码,是否能够成功解码作为判定依据,如果解码失败,意味着数据无效,则判定为虚警,直接抛弃;如果解码成功,则数据有效。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法,采用GMSK调制解调技术,利用两个独立的PN短码和LDPC编码替代了导频+帧头+校验码,确保接收机在极短的时间下能够完整、可靠的接收到数据。
附图说明
图1是本发明完整的帧格式。
图2是本发明方法的流程图。
图3是本发明的PN匹配滤波器。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚,下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
参照图2所示,本发明无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法包括以下过程:
首先,信息发送端发送数据,信息接收端进行AD带通采样和数字下变频处理,将接收信号变频至零中频信号。
在信息发送端,将128bit的信息划分为一个基础数据帧,进行(128,256)LDPC编码,编码完成后为256bit。
然后对256bit进行分块划分,在本设计中将256bit拆成三份,分别是64bit、128bit、64bit,将两个长度40bit的PN插入其中。
最后根据GMSK调制的特点,在首尾分别加入3bit0作为前缀和后缀。完整的帧格式见图一所示。
在信息接收端,首先将接收信号下变频至零中频信号,为了实现快速捕获与同步,需要利用两组PN进行信道估计、频偏估计、信号捕获和帧同步,再利用LDPC码进行虚警排除。
信道估计
信道估计是接收机工作的第一步。由于本系统采用GMSK调制技术,GMSK属于部分相应的CPM调制,其特点是相位连续,恒包络,调制带宽窄,但是自身带有码间串扰,再加上无线信道衰落带来的影响,导致接收机收到的信号产生畸形,如果不作处理将严重影响接收性能。为了有效消除信号畸形,可以将上述各个因素的影响叠加看成一个整体的信道响应C0(t),只要在本地估计出一个信道冲激响应然后用的共轭乘以接收信号,就可以消除C0(t)的影响。在本发明中利用PN良好的自相关性,假设接收信号为r(t)=In*C0(t)则与本地作相关,即可见近似等于C0(t)。
频偏估计
本发明设计两组PN并且间隔固定时间,可以利用这两组PN产生的自相关值作为两个矢量角度,通过计算角度差和时间差得到频偏。按照本发明设定的参数举例:符号速率为10Mbps,PN码长40bit,两个PN产生的自相关矢量间隔为168bit,即间隔16.8us,此时如果矢量角度差为则根据就可以计算出频偏f。
信号捕获和帧同步
为了能够成功的捕获到信号以及完成同步,在本发明中采用了两级匹配滤波器的结构来实现上述目的,如图3所示,第一级采用普通的PN匹配滤波器,作用是对接收信号进行PN相关计算,生成自相关矢量,一面为信道估计和频偏估计使用,另一面进行平方和得到相关峰。将得到的相关峰送入第二级匹配滤波器。第二级匹配滤波器设定一个阈值,如果相关峰大于该阈值则置1否置0,然后送入168级的移位寄存器,如果移位寄存器的输入与输出同时为1则说明帧头捕获。此时完成了信号捕获与帧同步。由于PN码位置在帧中固定,一旦完成帧同步,符号同步也同时完成。
当捕获和同步完成之后,主要的工作在于GMSK解调和LDPC解码,在本发明中都是利用了成熟的算法加以实现,在本文中不作重点介绍,仅简述如下。
GMSK信号的准相干解调算法是根据Laurent分解原理,将GMSK信号分解为多个PAM信号的和,这种解调算法不需要恢复相干载波,通过采用信道估计匹配滤波的方法进行解调,与最佳相干MLSE解调算法相比,其性能损失不大,但算法的复杂性和运算量大大降低。
LDPC(Low Density Parity Check)码是一种性能优秀的线性分组纠错码,在用非常稀疏的校验矩阵与基于BP的译码算法的条件下具有逼近Shannon限的性能。LDPC优异的纠错性能特别适合于无线通信系统。本发明利用已有的LDPC解码器完成解码工作,通过校验矩阵实现了信息校验功能,并且得到了极高的系统性能。
虚警排除
根据阈值设定来判定相关峰是否有效存在一个矛盾,如果阈值过低,容易产生虚警,如果阈值过高,则容易产生漏警。在高动态环境下正确的阈值将在一定范围内浮动,跟踪这个的浮动的阈值十分困难。为解决这个难题,本发明采用低阈值,然后再用LDPC码校验的方法。首先将阈值降低到接收机灵敏度以下,这样只要有用信号电平大于灵敏度电平,就可以确保不会产生漏警;但是此时有可能产生虚警,此时接收机将接收并解调的数据送入LDPC解码器,由解码器是否能够成功解码作为判定依据,如果解码失败意味着数据无效则判定为虚警,直接抛弃。如果解码成功则数据有效。
本发明利用PN短码达到4个目的:1、供捕获产生相关峰,相当于导频。2、两组不同的PN相对位置固定,通过两个相关峰位置产生帧同步,相当于帧头。3、作为信道估计使用,辅助完成数据解调。4、通过计算两组PN码的矢量角度,计算收发频偏。
LDPC码有两个作用:1、作为纠错编码,具有良好的编码增益,可以将接收机的解调门限降低到4dB以下,提高了接收机灵敏度。2、LDPC码天然具有校验码属性,可以代替校验码。
由上述技术方案可以看出,本发明利用PN和LDPC码,一方面可以提高接收机的性能,另一方面也可以显著减少一帧信息的额外开销,保证在降低占空比的同时,也能确保接收机的可靠性。在本发明的案例中,采用128bit为一个信息帧,长选取两个40bitPN码,当符号速率为10Mbps时,发送完整的一帧数据时间仅为35us,接收机丢帧率小于1‰。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:信息发送端发送数据,信息接收端进行AD带通采样和数字下变频处理,将接收信号变频至零中频信号;
步骤二:信道估计
步骤三:频偏估计
设计两组PN并且间隔固定时间,利用这两组PN产生的自相关值作为两个矢量角度,通过计算角度差和时间差得到频偏;
步骤四:信号捕获和帧同步
采用两级匹配滤波器完成信号捕获与帧同步;
步骤五:GMSK解调和LDPC解码,获得信息;
所述步骤四中,两级匹配滤波器中,第一级匹配滤波器采用PN匹配滤波器,对接收信号进行PN相关计算,生成自相关矢量,进行平方和得到相关峰,将得到的相关峰送入第二级匹配滤波器;第二级匹配滤波器设定一个阈值,如果相关峰大于该阈值,则置1,否则置0,然后送入168级的移位寄存器,如果移位寄存器的输入与输出同时为1,则说明帧头捕获,此时,由于PN码位置在帧中固定,一旦完成帧同步,符号同步也同时完成;
所述步骤一中,信息发送端发送的数据中,将128bit的信息划分为一个基础数据帧,进行(128,256)LDPC编码,编码完成后为256bit;然后对256bit进行分块划分,拆成三份,相邻块之间插入相同长度的PN;最后在首尾分别加入前缀和后缀。
2.如权利要求1所述的无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法,其特征在于,所述步骤一中,拆成三份,分别是64bit、128bit、64bit。
3.如权利要求2所述的无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法,其特征在于,所述步骤一中,256bit拆成的三份中,将两个长度40bit的PN插入其中。
4.如权利要求3所述的无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法,其特征在于,所述步骤一中,在首尾分别加入3bit0作为前缀和后缀。
6.如权利要求5所述的无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法,其特征在于,所述步骤五中,GMSK解调采用准相干解调法,根据Laurent分解原理,将GMSK信号分解为多个PAM信号的和。
7.如权利要求6所述的无线猝发通信系统的快速捕获与同步方法,其特征在于,所述步骤四中,阈值设定时,首先将阈值降低到信息接收端接收机灵敏度以下,并将接收机将接收并解调的数据送入LDPC解码,是否能够成功解码作为判定依据,如果解码失败,意味着数据无效,则判定为虚警,直接抛弃;如果解码成功,则数据有效。
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